JP6865685B2 - 動脈パラメータを測定するためのシステム及び方法 - Google Patents

Description

本発明は、動脈パラメータを測定すること、より具体的には、高周波超音波（Radio Frequency Ultrasound）を使用して動脈パラメータを測定するためのシステム及び方法に関する。

一般に、血圧測定は、患者の健康状態を測定するための理想的なバイオマーカーと考えられている。この理由から、血圧は、手術前又は正常な健康診断中、及び患者が医学的観察下にあるときでさえ測定される。従来、血圧は、収縮期及び拡張期の尺度（measures）を決定するために上腕動脈で測定されている。これらの尺度は、通常、全ての動脈の基準とみなされる。

通常、血圧は血圧計を使用して測定される。ここで測定される血圧は、大動脈圧であり、そこから上腕動脈の血圧が多少の変動を伴って推定される。このアプローチは、本質的に、上腕の周りに配置されるとともに上収縮期圧（supra-systolic pressure）まで膨張されるカフを使用し、その後、収縮期圧及び拡張期圧が、カフの膨張によって引き起こされる圧力を解放する際に示される。ここでは、血圧測定のばらつきを軽減又は排除するために、患者に適した適切なサイズのカフを使用することが重要である。

他方、血圧は超音波を使用しても測定される。血圧測定のためのこのような超音波ベースのアプローチは、典型的には、動脈の動きを追跡するために、輝度モード（Ｂモード）イメージング及び画像処理アルゴリズムを使用する。

証拠は、上腕動脈で測定された血圧が他の末梢動脈の実際の血圧を表していないことを示している。血管関連疾患を評価し且つ治療するために特定の動脈の絶対血圧を得ることが必須となっている。したがって、動脈における流れ評価を伴う局所的な血圧測定が、心血管疾患を診断及びモニタリングする能力を大幅に改善する。

上述のアプローチの両方では、局所的な血圧測定は実現されていない。この他に、ピーク収縮期速度（ＰＳＶ）、脈波伝播速度（ＰＷＶ）、動脈スティフネス（arterial stiffness）等のような様々な他の動脈パラメータの測定は、利用可能な既知の装置又は技術によっては使用可能にされていない。

特許文献１は、血圧を計算するパラメータとして血流速度の使用を開示している。

確かに、単一の測定手順から局所的な血圧及び他の動脈パラメータを測定する必要がある。本発明は、上記のような必要性のための解決法を提供することを目的とする。

ＵＳ ２０１４１４３０６４ Ａ１

本発明の目的は、局所的な動脈パラメータを測定するためのシステムを提供することである。

本発明の他の目的は、単一の測定手順から、局所的な血圧を含む複数の局所的な動脈パラメータを測定するためのシステムを提供することである。

本発明のさらに他の目的は、本発明のシステムによって局所的な血圧を測定するための方法を提供することである。

本発明のさらなる目的は、本発明のシステムによって、単一の測定手順から複数の他の動脈パラメータを測定するための方法を提供することである。

本発明の１つの態様では、超音波を使用して動脈パラメータを測定するためのシステムが提供される。本発明のシステムは、高周波（ＲＦ）超音波信号と復調ＲＦ超音波信号とそこから取得される前記信号からのそれに関連するデータとを提供するための信号ユニット；動脈内の血流の存在を検出するための検出ユニット；前記動脈を識別するための識別ユニット；前記データを処理するとともに前記動脈の膨張波形（distension waveform）を提供するための処理ユニット；及び前記動脈の局所的な動脈パラメータのうちの少なくとも１つを推定するための推定ユニット；を有する。

心血管疾患を診断及びモニタリングする能力の向上につながる単一の測定手順から局所的な血圧及び他の動脈パラメータを測定することは有利である。

本発明は、動脈パラメータを測定するための非イメージング且つ非侵襲のシステム及び方法による解決法を提供する。また、本発明は、カフ無しの方法で動脈パラメータを測定するための解決法を提供する。さらに、本発明は、血圧を決定するためのＰＳＶの絶対的な必要性を排除する。

本発明の１つの好適な実施形態では、複数のトランスデューサ素子が、前記動脈から局所的な信号を複数の場所から同時に得るように、グリッド構成に編成される。

本発明の１つの好適な実施形態では、ＲＦ超音波信号は、血液の拍動性の（pulsatile）性質、及び圧力波形、並びにそこからの局所的な血圧及び他の動脈パラメータに起因して生じる動脈の直径の変化を捕える膨張波形を決定するために使用される。

本発明の１つの好適な実施形態では、復調ＲＦ超音波信号は、関心動脈（artery of interest）の識別のために、及び、前記動脈における異常な流れの存在を表す、ピーク収縮期速度を決定するために使用される。

本発明の他の態様では、超音波を使用して動脈パラメータを測定するための方法が提供される。本発明の方法は、信号ユニットにより高周波（ＲＦ）超音波信号と復調ＲＦ超音波信号と取得される信号からのそれに関連するデータとを提供するステップ；検出ユニットにより動脈内の血流の存在を検出するステップ；識別ユニットにより前記動脈を識別するステップ；処理ユニットにより前記データを処理するとともに前記動脈の膨張波形を提供するステップ；及び推定ユニットにより前記動脈の局所的な動脈パラメータのうちの少なくとも１つを推定するステップ；を含む。

本発明の１つの好適な実施形態では、本発明の方法は、本発明のシステムによって実行される。

添付の図面が参照される。
本発明による動脈パラメータを測定するためのシステムを示す。 関心動脈からのＲＦデータの取得を示す。 関心動脈の異なる部分で得られたエコーパターンを描く。 サンプルの膨張波形を示す。

本発明は、完全に網羅されていない例示的な実施形態を通じて、図１乃至４を参照して以下でさらに説明される。

図１には、動脈パラメータを測定するためのシステム（１００）が示されている。システム（１００）は、グリッド構成に編成される複数のトランスデューサ素子を有する信号ユニット（１０１）を有する。トランスデューサ素子は、測定を受ける関心動脈に関連する未処理の（raw）ＲＦ超音波信号を提供するために、個々に又は集合的に動作する。本発明による測定は、未処理の形態と復調された形態の両方のＲＦ超音波信号を利用することを含む。ＲＦ復調ユニット（１０２）は未処理のＲＦ超音波信号を復調する。検出ユニット（１０３）は、復調ＲＦ超音波信号から得られるドップラスペクトルデータを使用して、関心動脈内の血流の存在を検出するために設けられる。血流の存在を検出すると、関心動脈は識別ユニット（１０４）によって具体的に識別される。フィードバック信号が、さらなる処理のために数回のデータサイクルの間のデータを連続的な取得のために提示される。識別ユニットは、対応する動脈の各々に関連する１又は複数のモデルを有する。

処理ユニット（１０５）が、関心動脈を示す（purporting to）データを処理するために提供され、以下の記載で説明される。

トランスデューサ素子から得られる信号は、ノイズ及び過渡的挙動の影響を受ける。未処理のＲＦエコー信号は、ＳＮＲを改善するために前処理され、過渡応答（transients）は、バンドパスフィルタが続くマッチドフィルタ（matched filter）を使用することによって除去される。非線形ゲインが、皮膚ゲル界面（skin gel interface）からの高振幅反射を抑制するために適用される。

信号フレームは、関心動脈に関して、図２に示されるように特定の時間にわたって得られる。身体の表面上に置かれたトランスデューサ（２０１）は、体内に超音波パルスを送り、頸動脈のような動脈（２０３）に達するように軟組織（２０２）を通過する。トランスデューサからの超音波パルス（２０４）は、動脈（２０３）のより遠い壁に到達し且つ同じものが反射されて示されている。反射された超音波パルスは、（２０５）として示されている。明らかに、超音波パルスが伝導されるとともに、同じものが、直径がＤである動脈の近位壁並びに遠位壁から反射される。エコーは、同じトランスデューサによって受信される。反射エコーの時間Ｔ（ｍｓ）にわたって形成される振幅情報Ａ（任意単位（a, u））を含むデータフレーム（Ｆ１，Ｆ２及びＦ３）が示されている

そのように識別される関心動脈は、動脈に特有の膨張波形（artery specific distension waveform）の計算のためのＲＦデータにマッピングされる。

図３は、超音波が、関心動脈（３００）の外膜（３０１）、中膜（３０２）及び内膜（３０３）のような異なる解剖学的部位から反射された後のエコーパターン（１，２，３，４）を示す。壁の内層（３０３）、内膜から、動脈の空洞内部、内腔（３０４）への移行部は、近位壁（near wall）と遠位壁（far wall）の両方で目に見える別個のエコーを生成する。より強いエコーは、最外層、外膜（３０１）を表す。中間層、中膜（３０２）は、低エコー（hypo-echoic）である。

図３に示される異なる領域にわたって動脈から得られるエコーが一様ではないことが観察されることができるので、得られるエコーパターンは、膨張波形を計算するために使用される。

動脈の遠位壁及び近位壁は、エコーゲートトラッキング（echo gate tracking）を実行することによって分離されることができる。エコーは、動脈の解剖学的構造が位置することができる取得された信号における関心領域を見つけるために識別される。エコーパターンから関心領域を識別するために、最尤アプローチのような確率的アプローチが使用される。第１に、所与の信号のエネルギプロットがスライディングウインドウアプローチ（sliding window approach）を用いて得られ、最大エネルギの領域が特定され、様々な特徴が、フレームにわたって異なる患者についてのこれらの関心領域から抽出される。特徴データは、平均及び共分散を得ることによってガウス混合モデルを使用して処理される（trained）。テストフレームを提供すると、特徴が抽出されるとともに、関心領域の可能性を提供するために構築されたモデルに対してテストされる。データは、壁種類（wall class）アプローチのような単一の種類アプローチに基づいて分類される。この方法は、壁種類にポイントを割り当てるために尤度のカットオフ値を使用する。

ここで、
ｄ−特徴ベクトルの次元（dimension）
ｃ−分散行列
μ−ガウス分布の平均（mean of Gaussian）
ｘ−テストポイントに関する特徴ベクトル
である。

さらに、収縮期及び拡張期の間の血流の変動は、動脈の弾性特性の変化を引き起こす。弾性特性のこの変化は、動脈の直径変化に現れる。壁運動によって得られたエコーに基づいて、連続する信号フレームが分析され、動脈の膨張波形が、近位壁運動と遠位壁運動との間の差として計算される。

２つの連続する取得で得られたエコーを考慮すると、ＮＷ_ｉ（ｔ）はｉ番目の取得における近位壁エコーであり、ＦＷ_ｉ（ｔ）はｉ番目の取得における遠位壁エコーである。そして、次の繰り返しで得られる近位壁エコー及び遠位壁エコーは
ＮＷ_ｉ＋１（ｔ）＝ＮＷ_ｉ（ｔ±Γ_ｎｗ）
ＦＷ_ｉ＋１（ｔ）＝ＦＷ_ｉ（ｔ±Γ_ｆｗ）
として表現され、ここで、Γ_ｆｗ及びΓ_ｎｗは、それぞれ近位壁エコー及び遠位壁エコーにおける偏位（shifts）である。エコートラッキングは、これらの偏位を推定すること、及びそれに応じてエコーの動きを追跡することを含む。連続する取得の間のエコーの時間偏位を推定するために、偏位及び探索アプローチが用いられ、これは、信号ＮＷ_ｉ（ｔ）とＮＷ_ｉ＋１（ｔ）との間の最大相互相関を計算し、相互相関の最大値に対応する時間として偏位Γ_ｆｗ及びΓ_ｎｗを推定するのに理想的である。

遅延が確認されると、壁の動きは、音速（ｖ）に基づいて計算され、
ｄ_ｎｗ（ｉ）＝０．５＊ｖ＊［Γ_ｎｗ（ｉ）＋Γ_ｎｗ（ｉ−１）］
ｄ_ｆｗ（ｉ）＝０．５＊ｖ＊［Γ_ｆｗ（ｉ）＋Γ_ｆｗ（ｉ−１）］

動脈膨張波形は、近位壁運動と遠位壁運動との間の差として計算され、
Δｄ（ｉ）＝ｄ_ｆｗ（ｉ）−ｄ_ｎｗ（ｉ）
によって与えられる。

ｔ＝（ｉ／ｆｐｒｆ）に代えることにより、膨張波形Δｄ（ｔ）は次のように決定されることができる。
Δｄ（ｔ）＝ｄ_ｆｗ（ｔ）−ｄ_ｎｗ（ｔ）

上述の膨張波形から、他の動脈コンプライアンス尺度を測定するために使用されることができる、ピーク間の（peak to peak）膨張が計算されることができる。

図４は、サンプルＳ（＃）にわたる連続するフレームを通した壁直径Ｄ（ｍｍ）の変化を表すサンプル膨張波形を示す。

動脈の圧力変化は、動脈の断面積の変化によって、より良く現れる。時間の関数としての動脈壁断面は、膨張波形に基づいて、以下の式によってさらに計算される。

血圧波形ｐ（ｔ）と動脈壁断面積Ａ（ｔ）との間の関数関係は以下のように確立される。

ここで、ｐ_０は定数であり、γは、患者の動脈の間で及び患者によって変わる。ルックアップテーブル及び動脈モデルが、関心動脈についてのそれぞれのγを測定するために必要とされる。図１に示される識別ユニット（１０４）は、動脈と圧力波形推定のより良い精度のための動脈固有のγ値とを推定するためにこの入力を提供する。

式（２）から、圧力波形が計算されることができ、収縮期、拡張期及び平均動脈圧が推定され得る。これにより、非侵襲且つ非イメージングベースのアプローチで関心動脈の血圧を連続的に監視することが可能となる。

関心動脈に関連付けられる直径及び圧力の変化が利用可能であると、弾性率（Elastic modulus）、動脈伸展性（Arterial distensibility）、動脈コンプライアンス（Arterial compliance）、硬度指数（Stiffness index）のような他の動脈コンプライアンス尺度が、以下のように計算することができ、ここで、Ｐ_ｓは収縮期であり、Ｐ_ｄは拡張期圧である。

本発明は、したがって、他の動脈パラメータ及び動脈コンプライアンス尺度と共に、関心動脈の局所的な血圧の連続測定を提供する。

本発明の特定の特徴のみが本明細書に具体的に図示されるとともに説明されており、多くの修正及び変更が当業者に思い浮かぶであろう。本発明は、明細書の記載に説明されている好適な実施形態に限定されるものではない。本発明は例示的な実施形態により説明されており、網羅的でも限定的でもないことが留意されるべきである。明細書の記載に詳述されていない本発明の特定の態様は、当業者にはよく理解される。また、本明細書の記載において使用される単数形に関する用語は、適用可能な場合には、その複数形及びその逆の場合も含む。本明細書に具体的に記載されていない、任意の関連する改変又は変形は、実際には本発明の範囲内にあると解釈されるべきである。添付の特許請求の範囲は、本発明の精神に含まれる全てのそのような修正及び変更に及ぶことが意図されている。

したがって、本発明は、その精神又は本質的な特徴から逸脱することなく、他の特定の形態で具体化することができることが、当業者には理解されるであろう。ここに開示された実施形態は、したがって、全ての点で例示的であって、限定されるものではないと見なされる。本発明の範囲は、上記の説明よりむしろ添付の特許請求の範囲によって示され、その意味及び範囲内に入る全ての変更並びにその均等物は、その中に包含されることが意図される。

Claims (17)

1. 超音波を使用して動脈パラメータを測定するための非イメージングベースのシステムであって、前記システムは：
   高周波（ＲＦ）超音波信号を提供するための信号ユニット；
   前記ＲＦ超音波信号を復調して復調ＲＦ超音波信号を生成するように構成されるＲＦ復調ユニット；
   前記復調ＲＦ超音波信号を使用して、動脈内の血流の存在を検出するための検出ユニット；
   前記検出ユニットからの前記復調ＲＦ超音波信号を使用して、前記動脈を識別するための識別ユニット；
   前記ＲＦ超音波信号及び前記識別ユニットからの信号を処理して識別された前記動脈の膨張波形を提供するための処理ユニット；及び
   前記処理ユニットからの前記膨張波形に基づいて、前記識別された動脈の複数の局所的な動脈パラメータのうちの少なくとも１つを推定するための推定ユニット；
   を有する、
   システム。
2. 前記信号ユニットは、グリッド構成に編成される複数のトランスデューサ素子を有する、
   請求項１に記載のシステム。
3. 前記複数のトランスデューサ素子は、動脈に適するＲＦ超音波信号を提供するように個別に又は集合的に動かされる、
   請求項２に記載のシステム。
4. 前記処理ユニットは、前記識別された動脈の血管壁の動き及び前記識別された動脈の直径の変化を決定するために設けられる、
   請求項１乃至３のいずれか１項に記載のシステム。
5. 前記識別ユニットは、１又は複数の動脈を示す１又は複数のモデルを有する、
   請求項１乃至４のいずれか１項に記載のシステム。
6. 前記処理ユニットは、前記識別された動脈の前記膨張波形から圧力波形を得るために設けられる、
   請求項５に記載のシステム。
7. 前記処理ユニットは、前記識別された動脈の前記膨張波形を、前記動脈の前記モデルを使用して、前記識別された動脈の前記圧力波形にマッピングする、
   請求項６に記載のシステム。
8. 前記局所的な動脈パラメータは、局所的な血圧、ピーク収縮期速度（ＰＳＶ）、脈波値（ＰＷＶ）、及び動脈コンプライアンス尺度のうちの少なくとも１つを含む、
   請求項１乃至７のいずれか１項に記載のシステム。
9. 前記動脈コンプライアンス尺度は、弾性率、動脈伸展性、動脈コンプライアンス、硬度指数を含む、
   請求項８に記載のシステム。
10. 前記システムは、前記動脈パラメータを測定するための非侵襲ベースのシステムである、
    請求項１乃至９のいずれか１項に記載のシステム。
11. 超音波を使用して動脈パラメータを測定するための非イメージングベースの方法であって、前記方法は：
    信号ユニットが、高周波（ＲＦ）超音波信号を提供するステップ；
    復調ユニットが、復調ＲＦ超音波信号を生成するように前記ＲＦ超音波信号を復調するステップ；
    検出ユニットが、前記復調ＲＦ超音波信号を使用して、動脈内の血流の存在を検出するステップ；
    識別ユニットが、前記検出ユニットからの前記復調ＲＦ超音波信号を使用して、前記動脈を識別するステップ；
    処理ユニットが、識別された前記動脈の膨張波形を提供するように、前記ＲＦ超音波信号及び前記識別ユニットからの信号を処理するステップ；及び
    推定ユニットが、前記処理ユニットからの前記膨張波形に基づいて、前記識別された動脈の複数の局所的な動脈パラメータのうちの少なくとも１つを推定するステップ；
    を含む、
    方法。
12. 前記処理するステップは、前記識別された動脈の血管壁の動き及び前記識別された動脈の直径の変化を決定するステップを含む、
    請求項１１に記載の方法。
13. 前記処理するステップは、前記識別された動脈の前記膨張波形から圧力波形を得るステップを含む、
    請求項１１又は１２に記載の方法。
14. 前記処理するステップは、前記識別された動脈の前記膨張波形を、前記動脈のモデルを使用して、前記識別された動脈の前記圧力波形にマッピングするステップを含む、
    請求項１３に記載の方法。
15. 前記局所的な動脈パラメータは、局所的な血圧、ピーク収縮期速度（ＰＳＶ）、脈波値（ＰＷＶ）、及び、動脈コンプライアンス尺度であって、弾性率、動脈伸展性、動脈コンプライアンス、硬度指数を含む、動脈コンプライアンス尺度のうちの少なくとも１つを含み、前記方法は、前記局所的な動脈パラメータを推定するための、非侵襲且つ連続的な方法である、
    請求項１１乃至１４のいずれか１項に記載の方法。
16. コンピュータプロセッサ上で実行されるとき、請求項１１乃至１５のいずれか１項に記載の方法を実行するためのコードを含むコンピュータプログラム。
17. 請求項１６に記載のコンピュータプログラムを含むコンピュータ可読媒体。

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